KR101966344B1 - 인버터 시스템에서 dc 링크 리플 감소를 위한 태양 전지 전원의 인터리브 제어 방법 및 장치 - Google Patents

인버터 시스템에서 dc 링크 리플 감소를 위한 태양 전지 전원의 인터리브 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

태양 전지 전원 시스템에서 인버터 입력의 DC 링크 전류 리플을 저감하기 위한 인터리브 제어장치와 방법이 제시되는데, 태양 전지 전원 시스템에서 복수의 태양 전지 전원의 수를 검출하고, 상기 검출된 태양 전지 전원에 대응되는 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값을 결정하여 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값으로 각각 할당하고, 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값에 따라 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인버터 시스템에서 DC 링크 리플 감소를 위한 태양 전지 전원의 인터리브 제어 방법 및 장치{Method and apparatus for interleaved controlling of solar cells to reduce current ripple of a DC link in an inverter system}
본 개시는 태양 전지와 같은 DC 전원을 통한 DC 전원 생성 후 인버터 입력단에 연결할 때 인버터의 DC 링크단의 전류 리플을 제어하는 것에 관련된다.
본 개시는 한국 에너지기술평가원의 산업기술혁신사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. (과제관리번호: 20171210200840, 과제명: 중소기업 수출형 개발도상국용 마이크로그리드 시스템 실증 및 비즈니스 모델 개발)
산업계에서는 많은 기계 시스템들이 전기 시스템으로 대체되고 있다. 이와 관련하여 전기 시스템에서는 하드웨어의 구성, 안정성과 신뢰성, 효율과 비용 면에서 다양한 문제가 발생한다. 또, 환경을 고려한 풍력, 지열 발전, 태양광 발전 등을 통해 전력을 생산하여 이를 전력 시스템에 공급하는 경우 전력 변환기의 성능에도 많은 영향을 미치고 있다.
특히 생산되는 전력이 태양광 발전과 같이 직류 전원인 경우 상용으로 이용하기 위해서는 DC 링크를 통해 인버터를 통해 AC 전원으로 변환해야 하는데, 이 때 태양광 발전단과 DC 링크 사이에는 DC-DC 컨버터가 연결되고 DC 링크 단에는 필연적으로 리플 전류가 발생하게 된다.
리플 전류의 크기와 주파수는 DC 링크 커패시터에 많은 영향을 미치게 되는데, 일례로 DC 링크 커패시터의 크기를 축소하기 위해서는 DC 링크 커패시터에 흐르는 전류의 리플을 감소시켜야 한다. 전류의 리플이 감소되면 DC 링크 커패시터 전류의 RMS 값을 감소시키기 때문에 등가직렬저항(ESR)에 의한 손실을 줄여 인버터의 효율을 높이고 수명을 연장시킬 수 있다.
복수의 태양 전지를 사용할 때 태양 전지와 DC 링크 사이에 연결되는 DC-DC 컨버터에 의해 발생하는 전류 리플을 감소시키기 위한 방법과 장치가 필요하다.
본 개시에서는 상기의 과제를 해결하기 위하여 태양 전지 전원의 인터리브 제어방법이 제공되는데, 태양 전지 전원 시스템에서 복수의 태양 전지 전원의 수를 검출하는 단계; 상기 검출된 태양 전지 전원에 대응되는 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값을 결정하여 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값으로 각각 할당하는 단계; 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값에 따라 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 태양 전지 전원 시스템에 태양 전지 전원이 추가되는 것을 감지하는 단계를 더 포함하고, 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값으로 각각 할당하는 단계는 상기 추가된 태양 전지 전원에 대응되는 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 태양 전지 전원에 대응되는 각각의 DC-DC 컨버터 출력 지연값을 새로이 결정하여 상기 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값으로 각각 재할당하고, 상기 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 단계는 상기 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 상기 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 태양 전지 전원 시스템에서 복수의 태양 전지 전원의 수를 검출하는 것은 상기 복수의 태양 전지 전원 각각에 연결된 릴레이 신호를 통해 검출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 출력 지연값은, 360/(전체 태양 전지 전원의 수 = N)를 출력 지연 일단위로 할때 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값 각각은 0*출력 지연 일단위, 1*출력 지연 일단위, 2*출력 지연 일단위, ..., (N-1)*출력 지연 일단위인 것을 특징으로 한다.
본 개시에서는 또한 상기의 과제를 해결하기 위한 또 다른 과제 해결 수단으로서 태양 전지 전원의 인터리브 제어장치가 제공되는데, 메모리; 및 제어기를 포함하되, 상기 제어기는 복수의 태양 전지 전원의 수를 검출하고, 상기 검출된 태양 전지 전원의 수에 대응되는 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 출력 지연값을 결정하여 할당하고, 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 할당된 출력 지연값에 따라 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 개시에 따라 복수의 태양 전지를 사용할 때 태양 전지와 DC 링크 사이에 연결되는 DC-DC 컨버터에 의해 발생하는 전류 리플을 제어기에 의해 인터리브 제어를 하여 전류 리플을 감소시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 태양 전지 전원과 인버터가 결합된 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 일실시예에 따른 태양 전지 전원과 연결된 DC-DC 컨버터의 일례를 도시한다.
도 3a는 도 1에 따른 태양 전지 전원 출력 전류를 나타낸다.
도 3b는 도 1에 따른 DC 링크 입력단 전류를 나타낸다.
도 4는 본 개시의 일실시예 따른 태양 전지 전원과 인버터가 결합된 시스템을 도시한다.
도 5는 본 개시의 일실시예에 따른 태양 전지 전원 출력 전류 파형의 일례이다.
도 6는 본 개시의 일실시예에 따른 태양 전지 전원 출력 전류 파형의 일례이다.
도 7은 본 개시의 일실시예 따라 태양 전지 전원을 제어하여 전류 리플을 저감하기 위한 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 개시의 일실시예에 따른 태양 전지 전원의 인터리브 제어장치의 블럭도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함된다.
도 1은 일반적인 태양 전지 전원과 인버터가 결합된 시스템(1000)을 도시한다.
복수의 태양 전지 전원(solar cell, 1010, 1020, ... , 1090)에서는 DC 전원을 생성하고, 생성된 DC 전원은 DC-DC 컨버터(1011, 1012, ... , 1099)에 적절히 승감압된 후 인버터 시스템의 DC 링크(1100)에 연결된다.
이 때 각각의 태양 전지 전원(1010, 1020, ..., 1090)은 단지 하나의 태양 전지(solar cell)일 수도 있지만 대개는 복수의 태양 전지가 직병렬로 결합된 태양 전지 결합 유닛을 의미한다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 태양 전지 결합 유닛이라는 용어보다는 단순하게 태양 전지 전원이라고 부르기로 한다.
DC 링크(1100)에서 확립된 DC 전원은 인버터(1200)에 의해 필요한 AC 입력 전원으로 변환되어 부하(1300) 측에 공급된다.
일례로, 태양 전지 전원에서 생성되는 DC 전원은 인버터 시스템의 입력단에 인가되는 적절한 크기의 DC 입력으로 변환하기 위해 DC-DC 컨버터(1011)에 의해 적절한 듀티비(duty cycle)로 전력변환이 이루어진다.
도 2는 본 개시의 일실시예에 따른 태양 전지 전원과 연결된 DC-DC 컨버터의 일례를 도시한다.
도 2에서는 태양 전지 전원과 연결되어 더 높은 DC 전압으로 승압하는 부스터 컨버터의 예이다. 하지만, 이는 일례에 불과할 뿐, 필요에 따라 감압을 위한 벅(buck) 컨버터 혹은 승감압형 벅-부스트 컨버터가 사용될 수 있다.
Q1 스위치와 Q2 스위치를 온-오프하는 듀티비(duty ratio)에 의해 Co 측, 즉 인버터 입력단의 DC 링크(1100)와 연결되는 지점의 전압 크기가 달라진다.
도 3a는 도 1에 따른 태양 전지 전원 출력 전류를 나타낸다.
예를 들어, DC-DC 컨버터(1011)의 출력단 전류 i1는 DC-DC 컨버터 내부의 Q2가 온(ON)되는 기간 동안 크기가 상승하고, Q2가 오프되는 기간 동안 하강하면서 도 3a와 같은 파형을 나타낸다.
다른 복수의 태양 전지 전원(1020, ... , 1090)과 연결된 DC-DC 컨버터들(1012, ..., 1099) 출력은 도 3a와 같은데, 만일 이러한 전류들이 본 개시에 따른 인터리브 제어가 없으면 DC 링크(1100)단에는 단순히 이들의 값들이 중첩되어 합쳐진 도 3b와 같은 파형을 나타내게 될 것이고, 이는 결과적으로 DC 링크(1100) 측에서 볼 때는 하나의 DC-DC 컨버터(1011) 출력의 전류 리플보다 더 큰 크기의 전류 리플 양상을 보이게 된다. 이러한 전류 리플은 결국 DC 링크(1100) 커패시터의 크기와 수명에 좋지 않은 영향을 준다.
따라서, 만일 이러한 전류 리플을 제어에 의해 감소시킬 수 있다면 DC 링크(1100) 커패시터의 용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 수명도 오래 유지할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일실시예에 따른 태양 전지 전원과 인버터가 결합된 시스템을 도시한다.
도 2에서의 태양 전지 전원 시스템과 달리 DC-DC 컨버터(2011, 2012, ..., 2099) 들의 출력을 인터리브에 의해 적절히 지연시키는 제어기(2500)가 구비된다.
제어기(2500)는 먼저 복수의 태양 전지 전원들(2010, 2020, ..., 2090)이 시스템에 연결되었는지를 검출하여 시스템에 연결된 복수의 태양 전지 전원의 수를 결정한다. 결정 후 인터리브 제어는 간단하게는 다음과 같다. 만일 태양 전지 전원 2개(2010, 2020)만이 시스템에 연결되어 있다면, 첫번째 태양 전지 전원에 연결된 제1 DC-DC 컨버터(2011)의 출력 지연값은 0, 두번째 태양 전지 전원에 연결된 제2 DC-DC 컨버터(2012)의 출력은 제 1 DC-DC 컨버터(2011)의 출력 대비 위상차가 180도가 나도록 출력 지연값 180을 할당한다. 이를 전류 파형으로 보여주는 것이 도 5이다.
도 5는 본 개시의 일실시예에 따른 태양 전지 전원 출력 전류 파형의 일례이다.
도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 태양 전지 전원이 두 개(2010, 2020)라고 가정하는 경우 제1 DC-DC 컨버터(2011)의 출력 전류는 i1과 같고 제2 DC-DC 컨버터 (2012)의 출력 전류는 i2와 같다. 도 5에서와 같이 i1과 i2 양자 간 출력차이를 180도로 하면 리플을 가장 적게 할 수 있는 iDC와 같은 파형을 얻을 수 있다. 이 때 180도라는 위상차가 i2의 출력 지연값이 될 수 있다. 결국 각 DC-DC 컨버터의 출력 지연값은 360/(총 태양 전지 전원의 수 혹은 각 태양 전지 전원에 연결된 DC-DC 컨버터의 수)라고 할 수 있다. 만일 태양 전지 전원의 수가 3개이면 각 3개의 DC-DC 컨버터의 출력은 서로 120도의 상차가 나면 최적의 DC 링크 입력 리플 전류값을 얻을 수 있다. 다시 말해 3개의 태양 전지 전원에 각각 연결된 DC-DC 컨버터에 0*360/3 = 0, 1*360/3 = 120, 2*360/3 = 240 라는 출력 지연값에 해당하는 출력 위상차를 주면 DC 링크(2100)에 입력되는 전류의 리플을 최적화 시킬 수 있다.
도 6은 본 개시의 일실시예에 따라 앞선 태양 전지 전원의 수가 4개인 경우의 전류 파형 및 리플 전류 파형을 도시한다.
i1은 제1 DC-DC 컨버터(2011)의 출력 전류 파형이고, i2는 제2 DC-DC 컨버터(2012)의 출력 전류 파형, i3는 제3 DC-DC 컨버터(도시되지 않음)의 출력 전류 파형이며 i4는 제4 DC-DC 컨버터(도시되지 않음)의 출력 전류 파형이다. i2는 i1대비 90도 위상 지연이 있고, i3는 i1대비 180도 위상 지연이 있으며, i4는 i1대비 270도 위상 지연이 있다. 본 일실시예에 따른 출력 지연값 계산을 예를 들면 제3 DC-DC 컨버터에 대한 출력 지연값은 2*360/4 = 180 이 된다.
이 경우 네 전류를 합한 DC 링크(2100)의 입력 전류는 iDC와 같은 파형을 보이게 되고, 위와 같은 인터리브 제어를 통해 DC 링크 입력단의 전류 리플을 상당히 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 개시의 일실시예 따라 태양 전지 전원을 제어하여 전류 리플을 저감하기 위한 방법을 나타낸 흐름도이다.
S701 단계에서 제어기(2500)는 태양 전지 전원 시스템에서 복수의 태양 전지 전원(2010, 2020, ..., 2090)의 수를 검출한다. 앞서 언급한 바와 같이 각 태양 전지 전원(2010, 2020, ..., 2090)은 단일 태양 전지 전원(solar cell)이 될 수도 있고, 복수의 태양 전지 전원들(solar cells)이 직병렬로 결합된 태양 전지 결합 유닛일 수도 있다. 후자인 경우가 대부분이지만, 본 명세서에서는 간단히 태양 전지 전원이라고 통칭하기로 한다.
주로 제어기(2500)는 각 태양 전지 전원단과 연결되는 릴레이(2601, 2602, ..., 2609)를 통해 태양 전지 전원이 시스템에 추가, 제거되는지를 판단한다. S703 단계에서 제어기(2500)는 검출된 태양 전지 전원 수에 대응되는 복수의 DC-DC 컨버터의 각각의 출력 지연값을 결정하여 할당한다.
앞서 살펴본 바와 같이 출력 지연값은 360/(전체 태양 전지 전원의 수 = N)를 출력 지연 일단위로 하며 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값 각각은 0*출력 지연 일단위, 1*출력 지연 일단위, 2*출력 지연 일단위, ..., (N-1)*출력 지연 일단위와 같은 계산에 의해 결정된다.
S705 단계에서 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값에 따라 제어기(2500)는 복수의 DC-DC 컨버터로부터 인버터 시스템의 DC 링크(2100)로의 출력을 적절히 지연시키는 제어를 수행한다. 그 결과 DC 링크(2100)에서의 입력 전류 리플이 저감된다. S707 단계에서 제어기(2500)는 태양 전지 전원 시스템에 태양 전지 전원이 새로이 추가되었는가를 판단한다. 만일 새로운 태양 전지 전원이 추가되었다면 각 DC-DC 컨버터의 출력 지연값을 새로이 계산하여 결정해야 한다. 즉, 앞선 출력 지연값 계산시 N은 N+1 값을 가지게 되며, 따라서 각 출력 지연값도 달라진다. 이 때 각 출력 지연값은 이전보다 작아질 것이다. 반대로 태양 전지 전원의 수가 하나 줄어들면 앞선 출력 지연값 계산에서 N은 N-1이 되므로 그에 따른 각 DC-DC 컨버터에 할당되는 출력 지연값도 달라진다. 이 때 각 출력 지연값은 이전보다 커질 것이다.
도 8은 본 개시에 따른 태양 전지 전원의 인터리브 제어장치(800)의 블럭도이다.
제어장치(800)는 각종 계산 데이터와 명령어를 저장하는 메모리(810)와 제어를 수행하는 프로세서에 해당하는 제어기(820)를 포함한다.
상기 제어기(820)는 복수의 태양 전지 전원의 수를 각각에 연결된 릴레이 (2601)를 통해 검출하고, 상기 검출된 태양 전지 전원단의 수에 대응되는 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 출력 지연값을 결정하여 할당하고, 상기 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 할당된 출력 지연값에 따라 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어한다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1010, 1020, 1090, 2010, 2020, 2090; 태양 전지 전원
1011, 2011; 제 1 DC-DC 컨버터
1012, 2012; 제 2 DC-DC 컨버터
1100, 2100; DC 링크
1200; 인버터
2500; 제어기
1300, 2300; 부하
2601, 2602, 2609; 릴레이
800; 태양 전지 전원의 인터리브 제어장치
810; 메모리
820; 제어기

Claims (7)

  1. 태양 전지 전원 시스템에서 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 연결된 복수의 태양 전지 전원의 수를 검출하는 단계;
    상기 검출된 태양 전지 전원의 수에 대응되는 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값을 결정하여 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값으로 각각 할당하는 단계를 포함하되, 상기 출력 지연값은, 360/(전체 태양 전지 전원의 수 = N)를 출력 지연 일단위로 할때 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값 각각은 0*출력 지연 일단위, 1*출력 지연 일단위, 2*출력 지연 일단위, ..., (N-1)*출력 지연 일단위인 것을 특징으로 하고; 및
    상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값에 따라 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전원의 인터리브 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 태양 전지 전원 시스템에 태양 전지 전원이 추가되는 것을 감지하는 단계를 더 포함하고,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값으로 각각 할당하는 단계는 상기 추가된 태양 전지 전원에 대응되는 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 태양 전지 전원에 대응되는 각각의 DC-DC 컨버터 출력 지연값을 새로이 결정하여 상기 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값으로 각각 재할당하고,
    상기 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 단계는 상기 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 상기 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전원의 인터리브 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 태양 전지 전원 시스템에서 상기 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 연결된 상기 복수의 태양 전지 전원의 수를 검출하는 것은 상기 복수의 태양 전지 전원 각각에 연결된 릴레이 신호를 통해 검출하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전원의 인터리브 제어방법.
  4. 삭제
  5. 메모리; 및
    제어기를 포함하되, 상기 제어기는
    복수의 DC-DC 컨버터 각각에 연결된 복수의 태양 전지 전원의 수를 검출하고,
    상기 검출된 태양 전지 전원의 수에 대응되는 상기 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 출력 지연값을 결정하여 할당하되, 상기 출력 지연값은, 360/(전체 태양 전지 전원의 수 = N)를 출력 지연 일단위로 할때 상기 복수의 DC-DC 컨버터의 출력 지연값 각각은 0*출력 지연 일단위, 1*출력 지연 일단위, 2*출력 지연 일단위, ..., (N-1)*출력 지연 일단위인 것을 특징으로 하고, 및
    상기 복수의 DC-DC 컨버터 각각에 할당된 출력 지연값에 따라 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전원의 인터리브 제어장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어기는 태양 전지 전원 시스템에 추가의 태양 전지 전원이 추가되는 것을 감지하고,
    상기 추가된 태양 전지 전원에 대응되는 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터에 대한 각각의 출력 지연값을 새로이 결정하여 할당하고,
    상기 새로이 결정하여 할당된 출력 지연값에 따라 상기 추가된 태양 전지 전원에 대응되는 상기 추가의 DC-DC 컨버터 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터로부터 상기 인버터 시스템의 DC 링크로의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전원의 인터리브 제어장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 복수의 태양 전지 전원의 연결을 검출할 수 있도록 상기 복수의 태양 전지 전원이 연결되는 복수의 릴레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 전원의 인터리브 제어장치.
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KR101759287B1 (ko) * 2017-04-27 2017-07-18 주식회사 광명전기 Dc bus 전력 발전효율향상과 리플저감 기능을 갖는 태양광 발전 시스템의 태양광 접속반

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